Bioremediatie in de klas Teach article

Vertaald door Piet Das. Vered Yephlach-Wiskerman biedt hier een project aan om in klasseverband de mogelijkheden voor bioremediatie te onderzoeken met de aquatische varen Azolla

Azolla pinnata
Foto met dank aan 澎湖小雲雀;
beeldbron: Flickr

Wanneer de bodem of het water is vervuild met bijvoorbeeld zware metalen, oplosmiddelen of olie, is een uitstekende mogelijkheid om ze schoon te maken bioremediatie: het gebruik van micro-organismen of planten die de verontreinigingen opnemen en ze dan ofwel verteren tot minder schadelijke stoffen of ze opslaan waardoor ze worden verwijderd.

Veel gebruikte toepassingen hiervan zijn het schoonmaken van verlaten mijnen of olieverontreinigingen. Fytosanering ( van het Griekse phyto – plant) maakt gebruik van het natuurlijke vermogen van een plant om giftige chemische en verontreinigende stoffen op te nemen, af te breken of te verwijderen uit grond, slib, sediment of grondwater.

Azolla is zo’n plant: in deze soort drijvende zoetwatervarens kunnen zich zware metalen zoals nikkel , cadmium en kwik (Arora et al., 2006); ophopen; zijn biomassa is eenvoudig te oogsten en zeer snel te drogen (Wagner, 1997). Deze kenmerken zorgen ervoor dat het een perfecte kandidaat is voor bioremediatiesystemen (Cohen, 2004), alhoewel het altijd belangrijk is om de mogelijke effecten van invoering van een nieuwe soort in een ecosysteemw1, w2 van te voren in te schatten. Azolla leeft in symbiose met de cyanobacterie Anabaena azollae , die stikstof uit de lucht kan vastleggen. Door deze onafhankelijkheid van een verdere externe bron van stikstof is de varen in staat om de twee tot drie dagen bij kamertemperatuur zijn biomassa te verdubbelen en dat is ook de reden dat het al eeuwen wordt gebruikt in China als een biomeststof in rijstvelden.

Azolla filiculoides
Foto met dank aan eyeweed;
beeldbron: Flickr

Azolla in de klas

De plant is een geweldig hulpmiddel voor vakoverstijgende schoolprojecten van ecologie, milieustudies, biologie, chemie en biotechnologie. Tijdens een dergelijk project kunnen studenten essentiële vaardigheden ontwikkelen voor wetenschappelijk werk: het formuleren van een probleem en een hypothese, het plannen van een experiment , het beschrijven van de resultaten en het trekken van conclusies .

Azolla filiculoides (left) en
Azolla pinnata (
right)

Foto met dank aan eyeweed;
beeldbron: Flickr

Begin de les met het onderwerp bioremediatie en laat de studenten informatie verzamelen over Azollaw1, w3, w4, w5, w6, w7, w8 (Arora & Saxena, 2005), zoals de morfologie van waterplanten in tegenstelling tot landplanten , het belang van symbiose , de stikstofcyclus , het gebruik van Azolla in de landbouw (Pabby et al., 2004), en het vermogen van Azolla om zware metalen op te nemen.

Help de leerlingen met het formuleren van onderzoeksvragen en hypothesen die ze willen onderzoeken. Mogelijke onderwerpen zijn het meten van de toename van biomassa afhankelijk van de groeiomstandigheden (bijv. CO2– niveau, ijzergehalte van het water, de hoeveelheid licht), of het effect van Azolla op de waterkwaliteit.

Teams van twee tot drie studenten werken goed en elk experiment moet drie keer worden herhaald om te bewijzen dat de hypothese juist is. Verschillende teams kunnen werken aan verschillende aspecten van de plant óf aan hetzelfde onderwerp om zo één experiment te herhalen. In de laatste bijeenkomst kunnen de resultaten worden gepresenteerd en besproken in de klas.

Tabel 1 kan studenten helpen om hun experiment te plannen. De tabel kan ook gedownload worden van de Science in School websitew8.

 

Onderdelen van het experiment

Jouw antwoord

Tabel 1. De planning van je experiment
1 Formuleer je hypothese  
2 Wat is de biologische grondslag voor je hypothese?  
3 Wat is de afhankelijke variabele die je wilt meten in je experiment. Hoe wordt het gemeten? In welke eenheden?  
4 Wat is/zijn de onafhankelijke variabele(n) die je wilt veranderen om op die manier het / de effect(en) op de variabele in stap 3 te bestuderen? Hoe zal hij die veranderen?  
5 Wat zijn de vaste variabelen in het experiment die niet zullen veranderen ?  
6 Beschrijf nauwkeurig de controlepunten die je van plan bent op te nemen en licht hun belang toe.  

Vervolgens moeten de leerlingen tabellen maken van de experimentele resultaten en grafisch weergeven. Ze moeten er bij stil- staan dat ze het meest geschikte type grafiek gebruiken (bijvoorbeeld een lijngrafiek of staafdiagram ).

Hieronder een voorbeeld van een project geschikt voor studenten in de leeftijd 10-12 ( 16-18 jaar). We gebruikten Azolla filiculoides, maar elk van de zeven Azolla soorten is bruikbaar. Ze kunnen eenvoudig worden verkregen in kwekerijen of tuincentra , aquariumwinkels of online.

Het uiterste puntje van de
Mississippi rivierdelta op 24
mei 2010, na de “Deepwater
Horizon oil spil”. Linten en
plakken olie zijn zilverachtig
tegen het lichtblauwe water;
vegetatie is rood

Foto met dank aan NASA
Goddard Space Flight Center

Het effect van Azolla op waterkwaliteit

Hypothese / vraagstelling: Azolla zal de elektrische geleiding van water verlagen omdat de plant de beschikbare metaalionen absorbeert. Beïnvloedt Azolla de kwaliteit van water op andere manieren?

Om deze hypothese te testen en de vraag te beantwoorden zul je een aantal meetwaarden die een indicatie zijn voor de waterkwaliteit gedurende 2 weken moeten bepalen. Naast het meten van de geleiding hebben we ook besloten om een aantal aspecten van de waterkwaliteit te onderzoeken die gemakkelijk te testen zijn en waarvoor de apparatuur al beschikbaar is.

Studenten moeten bekend zijn met basiskennis van plantenfysiologie en het gebruik van instrumenten / methoden.

  1. Giet 250 mL kraanwater in elk van twee glazen potjes en zet ze op de vensterbank

    In een ideale situatie zouden we verontreinigd water gebruiken zodat de plant zijn bioremediatie kan demonstreren, maar dat zou niet veilig zijn. Je kunt er echter wel metalen uit de schoolvoorraad bij doen en dat mengsel gebruiken.

  2. Meet de beginwaarden die je wilt gebruiken in beide potjes.
     
Polluted water
Image courtesy of Chesapeake
Bay Program; image source: Flickr
  1. Doe in een van de potjes 50 gram Azolla (doe er meer bij als de plant erg nat is). Het andere potje laat je onbehandeld staan.
    Het onderzoek kan worden uitgebreid met een derde waterplant – die geen zware metalen absorbeert, zoals eendenkroos ( Lemna spp.) – Deze kan worden gebruikt in een derde potje.
     
  2. Herhaal je metingen elke 1-2 dagen.
    Neem als alternatief elke dag monsters en vries ze in en analyseer ze allemaal aan het eind.

Voeg niets toe of verander iets aan het water tijdens het experiment.

Metingen

Azolla pinnata
Foto met dank aan 澎湖小雲雀;
beeldbron: Flickr
  1. Meet de geleiding met een geleidbaarheidsmeter om de concentratie van de elektrolyten te bepalen.

    Omdat metaalionen worden opgenomen door Azolla moet de geleiding van het water afnemen met de tijd.

  2. Meet de concentratie van diverse specifieke ionen . Dit kan gemakkelijk gedaan worden met behulp van commerciële teststrookjes. We testten het nitraat-en ijzergehalte, want daarvoor hadden we speciale sets.

    Het ijzergehalte moet dalen na verloop van tijd omdat het wordt opgenomen door Azolla , want dat is een essentieel element voor de omzetting van stikstof uit de lucht in opneembare stikstof (nitrogenase). Als het ijzeraanbod te laag is, zullen Azollabladeren geel worden en verwelken.

    Omdat ze in symbiose leven met de cyanobacteriën kan Azolla leven zonder een verdere bron van stikstof, afgezien van uit de lucht, maar de groei van de plant zal afnemen. Dus je zou een kleine daling van het nitraatgehalte in het water kunnen verwachten.

  3. Meet de pH met een pHmeter of een pHstrookje om zo een indicatie te krijgen van de koolstofdioxide (CO2).

    De cellulaire ademhaling van de plant zou de concentratie van CO2 moeten verhogen waardoor de pH lager wordt

  4. Meet het zoutgehalte (chlorideionen-concentratie) met een teststrookje.

    Als het zoutgehalte toeneemt, wat in gelijke mate in beide waterproefjes zou moeten gebeuren –zal dat het gevolg zijn van verdamping, omdat Azolla geen chloride- ionen opneemt.

Als controle kan de hoeveelheid bacteriën bepaald worden met een spectrometer of door met een turbiditeitsmeter de troebelheid te bepalen of door de concentratie van kolonievormende deeltjes te meten met de verdunningsmethode, uitzaaiingen apart tellen en door het tellen van bacteriekolonies op een rijk agar medium. Verschillende hoeveelheden bacteriën in de eerste watermonsters kunnen invloed hebben op de kwaliteit van het water en zouden resultaten kunnen vervalsen, omdat bacteriën ook voedingsstoffen en metalen kunnen opnemen.

Veiligheid

De cyanobacteriën in Azolla maken een neurotoxine , dus die planten mogen niet worden gegeten. Daarnaast worden een aantal soorten Azolla beschouwd als onkruid en zijn een pest in veel landen dus de planten dienen na gebruik veilig te worden vernietigd. Zie ook de algemene Science in School veiligheid opmerking.

 

Download

Download this article as a PDF

References

  • Arora A, Saxena S (2005) Phosphorus requirements of Azolla microphylla. International Rice Research Notes 30(2): 25-26.
  • Arora A, Saxena S, Kumar Sharma D (2006) Tolerance and phytoaccumulation of chromium by three Azolla species. World Journal of Microbiology and Biotechnology 22(2): 97-100. doi: 10.1007/s11274-005-9000-9
  • Cohen MF, Yamasaki H, Mazzola M (2004) Bioremediation of soils by plant-microbe systems. International Journal of Green Energy 1(3): 301-312. doi: 10.1081/GE-200033610
  • Pabby A, Prasana R, Singh PK (2004) Biological significance of Azolla and its utilization in agriculture. Proceedings of the Indian National Science Academy B70(3): 299-333. www.new.dli.ernet.in/rawdataupload/upload/insa/INSA_1/2000c954-299.pdf of gebruik de directe link: http://tinyurl.com/62wq6mp
  • Wagner GM (1997) Azolla: A review of its biology and utilization. The Botanical Review 63(1):1-26. doi: 10.1007/BF02857915

Web References

Resources

  • De Wereld Water Monitor Dag biedt een aantal hulpmiddelen in het Engels en het Spaans over hoe je veel meetresultaten voor de waterkwaliteit kunt bepalen, maar ook hoe je moet werken met speciale setjes daarvoor. Zie: www.worldwatermonitoringday.org
  • Voor meer bronnen voor het testen van de waterkwaliteit , zie de website van Lifewater Canada: www.lifewater.ca/Section_16.htm
  • Voor downloadbare watertest- handleidingen voor scholen , zie de website van de Massachusetts Water Resources Authority (www.mwra.state.ma.us) of gebruik de directe link : http://tinyurl.com/6jerkan
  • Voor meer informatie over een school project om de waterkwaliteit te testen in de lokale omgeving , zie:

Author(s)

Vered Yephlach – Wiskerman doceert biologie aan Omer High School in Omer , Israël. Zij is de “Excellence Program Coördinator” en docent in de biochemie en immunologie aan de wetenschappelijke afdeling van het Kaye Academisch College of Education , een professioneel opleidingsinstituut voor leraren in Beersheba .


Review

De omgeving schoon en vrij van vervuiling houden en tevens het in de gaten houden op de omgeving zijn tegenwoordig belangrijke zorgen en deze onderwerpen worden op school bestudeerd bij de natuurwetenschappen. Natuurlijke manieren van het schoonmaken van het milieu, zoals bioremediatie door planten en microben, zijn hiervoor ideaal en worden daarom al vele jaren bestudeerd. Dit artikel laat zien hoe een normale waterplant, Azolla , kan worden gebruikt om bioremediatie te demonstreren aan de klas. De activiteiten stimuleren wetenschappelijke denk- vaardigheden, een essentieel onderdeel van ‘hoe wetenschap werkt ‘ van het curriculum. Een vereenvoudigde versie van deze activiteit zou kunnen worden gebruikt door jongere studenten.

De experimenten kunnen worden gekoppeld aan chemie – in de testen op kationen, anionen en bij titraties . De activiteit heeft ook links naar de microbiologie en biotechnologie , omdat de studenten de grondbeginselen kunnen leren hoe microbiologische waterkwaliteit kan worden bijgehouden. Als extra activiteit kunnen de leerlingen gebruik maken van het internet om uit te zoeken hoe microben kunnen worden gebruikt om olieverontreigingen schoon te maken en hoe micro-organismen kunnen worden geselecteerd of genetisch gemanipuleerd om om te gaan met bepaalde verontreinigingsproblemen.


Shelley Goodman, Groot-Brittannië




License

CC-BY-NC-SA